基于DELMIA的裝配過程仿真及其在飛機數字化柔性工裝設計中的應用

李曉楓，王仲奇，康永剛

（西北工業大學 機電學院，陜西 西安 710072）

飛機裝配仿真技術提供了在三維數字化環境中動態地安裝零部件及其組件的整個過程，實現飛機裝配過程的仿真，可大大縮短飛機裝配周期和研發成本。通過數字化裝配過程仿真與優化技術替代零部件裝配試驗，可降低開發成本、有效地減少裝配缺陷和產品的故障率、減少裝配過程反復、減少人為差錯、減少因裝配干涉等問題而進行的重新設計和工程更改[1-2]。同時在工裝結構設計階段，使設計人員在屏幕上通過機構的三維動態顯示，不僅可以直觀地看到整個機構的運動過程，而且可以分析運動的極限位置轉角、干涉情況、空間運動位置及運動參數，這樣設計人員不需等待試制樣機就可以提前對設計中可能出現的問題作出精確的預測和改進，為設計提供一種理論依據[3]。

產品模型的三維化為裝配過程仿真提供了便利的基礎和條件，同時柔性工裝的運動和調整數字化使得必須通過裝配過程仿真，模擬整個運動環節和工藝過程，才能確保結構設計的合理性和運動過程的可控性。

1 存在的問題

在制造企業的生產流程中，工藝工作貫穿于整個流程當中。工藝設計處于產品設計和加工制造的中間環節，它是生產技術準備工作的第一步。工藝設計工作不僅涉及到企業的生產類型、產品結構、工藝裝備、生產技術水平等，甚至還要受到工藝人員實際經驗和生產管理體制的制約，其中的任何一個因素發生變化，都可能導致工藝設計方案的變化[4]。

目前工藝設計工作包含的內容和基本流程為：設計部門給出產品設計圖紙后，首先要轉到工藝部門進行工藝審查，然后工藝部門提出修改意見返回設計部門進行設計圖的修改，此時產生的工藝文件是“工藝審查記錄單”。設計部門在對產品設計圖紙進行修改時，工藝部門同時要進行工藝總方案設計。修改后的產品設計圖紙轉到工藝部門后，工藝人員要進行工藝路線的編制及工藝規程的編制，基于工藝規程，工藝人員要完成如“設備匯總”、“工裝匯總”等工作。對需要進行工藝裝備設計的提出工裝申請，由工裝設計部門進行工裝的設計，如圖1所示。

圖1 傳統工藝設計流程

由圖可見，工藝設計與產品設計存在著時間和空間上的差異，沒有建立緊密的聯系，無法進行協同工作。由于受傳統的設計、制造方法和工具的限制，產品的研制都是串行工作方式，工藝設計的時間大部分耗費在工藝與設計、工藝與制造的反復工作上，而且無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關的制造資源緊密結合在一起實現裝配過程的仿真，無法在工藝設計環境中進行三維的虛擬工藝驗證，零部件能否準確安裝，在實際安裝過程中是否發生干涉，工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝裝備是否滿足裝配需要，裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設計階段得到有效驗證。上述任意環節在實際生產中出現問題都將影響飛機的研制周期，造成費用的損失。

其次，目前大多裝配過程仿真并未考慮到工裝等設備機構的運動仿真，不能有效模擬實際情況。同時飛機數字化裝配過程必須通過設備機構的運動仿真模擬控制過程，因此裝配工藝過程和運動機構仿真的集成即是飛機數字化裝配過程仿真的關鍵。

2 DELMIA軟件簡介

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達索公司出品的具有較強模擬仿真功能的三維設計軟件，其應用涵蓋了航空、航天、汽車和船舶等幾乎所有機械產品的數字化制造。該系統以“數字化制造技術”為核心，重點解決制造過程的仿真問題，并為此提供了定義和模擬數字化制造流程的各項功能，其中產品、工藝流程和資源模型中樞（PPR HUB）是提供“數字工程”解決方案以及支持工藝設計與驗證的關鍵技術。系統有上百個子模塊，按功能劃分為數字工藝（Digital Process Engineer，DPE）、數字制造（Digital Process Manufacture，DPM）和資源建模與仿真（Resource Modeling&Simulation，Quest）三大類。

其中，DPM提供一個工藝細節規劃和驗證應用3D環境。其將DPE產生的結構和圖表，結合生產制造規則，形成3D虛擬制造環境，以實際產品的3D（或DMU）模型，構造3D工藝過程，分析產品的可制性、可達性、可拆卸性和可維護性，實現3D產品數據與3D工藝數據的同步的、真正的并行工程環境。裝配工藝解決方案是一款面向數字化裝配工藝設計和仿真的工具，DPM Assembly裝配工藝規劃和驗證的解決方案，用于完善制造生產工藝和維護工藝。DPM Assembly進行產品裝配的可行性研究，可生產性研究，可維護性研究，3D工藝規劃和產生裝配工藝說明書。

3 機翼前襟翼裝配工藝特點及對工裝要求

前襟裝配有如下特點：①生產過程工藝性復雜，專業水平要求高，原理性知識需要掌握、熟悉，才能完成所承擔的工序。②裝配過程需要數字化定位，其中很多工序的完成需要相應工裝設備提供保障。

根據機翼前襟的特點，設計的前襟柔性裝配集成單元可以實現內、外前襟及其左、右件共四個產品的柔性定位、夾緊和自動制孔。總體上，集成單元結構由7個立柱、可調底座、制孔機器人及其龍門架組成。每個立柱有3-5個自由度，共計26個由伺服電機驅動的自由度，每個立柱結合其定位器可以實現空間點位的三坐標精確控制。總體結構如圖2所示。

圖2 前襟柔性裝配集成單元總體結構圖

4 裝配過程與工裝運動仿真集成關鍵技術

裝配過程仿真與工裝結構運動仿真包括兩個方面的內容：裝配工藝仿真和機構仿真。其中裝配過程仿真主要內容有裝配工藝文件向裝配仿真環境映射以及裝配路徑規劃、干涉檢查等。機構的運動仿真涉及到運動機制的創建與運動分析等內容。其流程如圖3所示。

4.1 裝配工藝文件映射技術

在產品的制造過程中，裝配工藝方案的制定通常由企業級工藝部門和車間級工藝部門分級完成。前者通常從工藝總方案的角度，分析并決策部件級的裝配單元劃分、裝配順序規劃等，對裝配過程信息的考慮較少；后者通常從產品裝配實施的角度，結合裝配過程信息，對零、組件級的裝配操作、動作的順序、路徑進行符合生產現場實際的規劃，最終完成裝配大綱的編制。根據復雜產品裝配規劃的這一特點，可將產品裝配工藝規劃分為對應于企業級工藝部門的宏規劃和對應于車間級工藝部門的微規劃[5-6]。

裝配工藝文件信息的解析與映射，實質是裝配工藝微規劃，主要是將工藝信息與應用環境相關聯，并使其以應用環境允許的方式在其中傳遞，同時保證文件應用的完整性。相應機制的建立需要完成兩個方面的工作：①解析裝配工藝文件信息；②將解析的信息映射到應用環境中，即在DELMIA仿真環境中 規 劃 PPR（ProcessList、ProductList、ResourceList）節點組織結構。如圖4所示。

圖3 裝配過程仿真流程

圖4 裝配工藝文件的映射

4.2 柔性工裝運動仿真模型的建立

柔性工裝運動仿真模型的建立主要涉及到結構樹組織結構規劃、運動機制建立、工裝初始位置設定、自身靜態與動態干涉檢查。工裝運動仿真前提是建立運動機制，依據機翼前襟柔性工裝特點，每個立柱為x、y、z三個方向運動，因此需建立三個Prismatic Joint。每個方向移動的距離依據設計行程確定運動的上限與下限，以保證工裝的運動在設計的行程范圍內。而定位器、夾緊裝置根據其夾緊形式建立相應的機制。而每個立柱上對應的夾緊器為螺旋運動，因此應建立相應的Revolute Joint。

4.3 裝配工藝仿真與工裝運動仿真

依據上面裝配工藝文件解析與建立的運動機構仿真模型，進行裝配工藝過程仿真與工裝運動過程仿真。裝配過程仿真的內容包括：裝配順序仿真、裝配干涉仿真等。運動過程仿真主要是運動機構在仿真環境下的干涉檢查。主要包括檢查工裝自身是否存在干涉、工作狀態下是否與周圍產品存在干涉以及x、y、z三個方向行程檢查，以滿足設計需要。以往產品裝配過程仿真與其工裝運動仿真都是獨立進行的，而飛機數字化裝配過程中離不開工裝支持，整個過程都有工裝參與。因此裝配工藝仿真與運動過程仿真應集成在一起，以滿足產品裝配過程仿真和工裝設計階段對行程的要求。

裝配工藝仿真與運動仿真集成主要是在DELMIA軟件AssemblyProcessSimulation模塊下進行。該模塊作為DELMIA系統中一個獨立的軟件模塊，充分利用“數字樣機”的三維數據，實現在三維基礎上的工藝規劃，并對零件的加工過程、產品的裝配過程、生產的規劃進行3D模擬并驗證，同時集成了裝配過程與機構運動仿真。在該模塊下，機構作為一個Device，通過創建Device Move實現機構的運動，同時利用“Creates a Grab Activity” 以 及 “Createsa Release Activity”實現機構抓取/釋放產品，從而將裝配過程仿真與運動過程仿真有效的集成在一起，同時利用軟件提供的“Check Clash”功能進行裝配干涉檢查分析，很好的滿足了實際情況。如圖5所示。

圖5 某前襟的裝配過程仿真與其柔性工裝運動仿真

5 結論

通過仿真發現：1#立柱：外前襟左、右件裝配，x向定位，短55mm；4#立柱：外前襟左、右件裝配，x向超行程2.96mm，如圖6所示。

圖6 通過仿真發現的問題

本文結合目前飛機裝配現狀以及柔性工裝設計要求。利用DELMIA軟件提供的功能，對某飛機前襟裝配過程及其數字化柔性工裝運動進行了仿真，并對其裝配工藝及工裝設計存在不合理之處已經進行了修證。目前，該前襟柔性裝配集成單元已進行了現場安裝調試。實驗證明，通過裝配過程及機構運動集成仿真，不僅可以在實際生產之前解決了裝配過程可能發現的問題，分析了空間運動位置并進行干涉檢查等工作，有效指導工裝設計，在方案初步設計階段對可能出現的問題做出精確的預測和改進。

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